Наземный сегмент

Наземный сегмент состоит из всех наземных элементов космической системы, используемых операторами и вспомогательным персоналом, в отличие от космического сегмента и пользовательского сегмента. ^[1]^[2]^: 1 Наземный сегмент позволяет управлять космическим кораблем, а также распределять данные о полезной нагрузке и телеметрию среди заинтересованных сторон на земле. Основными элементами наземного сегмента являются:

Наземные (или земные) станции , обеспечивающие радиоинтерфейсы с космическими кораблями. ^[2]^: 142
Центры управления (или эксплуатации) полетами , из которых осуществляется управление космическими кораблями. ^[3]^: 20
Удаленные терминалы , используемые вспомогательным персоналом ^[2]^: 142
космических аппаратов интеграции и испытаний Средства
Стартовые комплексы ^[3]^: 21
Наземные сети , которые обеспечивают связь между другими наземными элементами. ^[2]^: 142^[4]

Эти элементы присутствуют почти во всех космических миссиях, будь то коммерческие , военные или научные . Они могут располагаться вместе или быть разделены географически, и ими могут управлять разные стороны. ^[5]^[6]^: 25 Некоторые элементы могут одновременно поддерживать несколько космических кораблей. ^[7]^{: 480, 481}

Элементы

Наземные станции

Наземные станции обеспечивают радиоинтерфейсы между космическим и наземным сегментами для телеметрии, слежения и управления (TT&C), а также передачи и приема данных полезной нагрузки. ^[6]^: 4^[8]^[9] Сети слежения, такие как НАСА и околоземная сеть космическая сеть , обеспечивают связь с несколькими космическими кораблями посредством разделения времени . ^[3]^: 22

Оборудование наземной станции может контролироваться и управляться дистанционно . Часто существуют резервные станции, с которых можно поддерживать радиосвязь, если на основной наземной станции возникнет проблема, из-за которой она не сможет работать, например, в случае стихийного бедствия. Такие непредвиденные обстоятельства рассматриваются в плане обеспечения непрерывности операций .

Передача и прием

Сигналы, передаваемые на космический корабль, сначала должны быть извлечены из пакетов наземной сети , закодированы в основной диапазон и промодулированы . ^[10] обычно на несущую промежуточной частоты (ПЧ) перед преобразованием с повышением частоты в назначенный диапазон радиочастот (РЧ). Затем радиочастотный сигнал усиливается до высокой мощности и передается по волноводу на антенну для передачи. В более холодном климате могут потребоваться электрические обогреватели или вентиляторы горячего воздуха, чтобы предотвратить скопление льда или снега на параболической тарелке .

Принятые («нисходящие») сигналы проходят через малошумящий усилитель (часто расположенный в антенном концентраторе, чтобы минимизировать расстояние, которое должен пройти сигнал) перед преобразованием с понижением частоты в ПЧ; эти две функции могут быть объединены в малошумящем блочном понижающем преобразователе . Затем сигнал ПЧ демодулируется , а поток данных извлекается посредством побитовой и кадровой синхронизации и декодирования. ^[10] Ошибки данных, например, вызванные ухудшением сигнала , выявляются и исправляются , где это возможно. ^[10] Извлеченный поток данных затем пакетируется или сохраняется в файлах для передачи по наземным сетям. Наземные станции могут временно сохранять полученные телеметрические данные для последующего воспроизведения в центрах управления, часто когда пропускная способность наземной сети недостаточна для передачи всех полученных телеметрических данных в реальном времени. Они могут поддерживать сети, устойчивые к задержкам .

Один космический корабль может использовать несколько радиочастотных диапазонов для разных потоков данных телеметрии, команд и полезной нагрузки , в зависимости от пропускной способности и других требований.

Проходит

Время проходов , когда космический корабль находится на прямой видимости, определяется расположением наземных станций, а также характеристиками орбиты или траектории космического корабля . ^[11] Космическая сеть использует геостационарные спутники-ретрансляторы, чтобы расширить возможности прохождения за горизонт.

Отслеживание и ранжирование

Наземные станции должны отслеживать космический корабль, чтобы правильно направить свои антенны , и должны учитывать доплеровское смещение радиочастот из-за движения космического корабля. Наземные станции также могут выполнять автоматическое определение дальности ; тональные сигналы дальности могут быть мультиплексированы с командными и телеметрическими сигналами. Данные слежения и дальности наземной станции передаются в центр управления вместе с телеметрией космического корабля, где они часто используются при определении орбиты .

Центры управления полетами

НАСА. Центр управления Лаборатории реактивного движения

Центры управления полетами обрабатывают, анализируют и распространяют телеметрию космического корабля , а также выдают команды , загружают данные и обновляют программное обеспечение для космических кораблей. Для пилотируемых космических кораблей управление полетом обеспечивает голосовую и видеосвязь с экипажем. Центры управления также могут отвечать за управление конфигурацией и архивирование данных . ^[7]^: 483 Как и в случае с наземными станциями, часто имеются резервные средства управления для обеспечения непрерывности операций.

Обработка телеметрии

Центры управления используют телеметрию для определения состояния космического корабля и его систем. ^[3]^: 485 Хозяйственная, диагностическая, научная и другие виды телеметрии могут осуществляться по отдельным виртуальным каналам . Программное обеспечение управления полетом выполняет первичную обработку полученной телеметрии, в том числе:

Разделение и распределение виртуальных каналов ^[3]^: 393
Упорядочение по времени и проверка пропусков полученных кадров (пробелы могут быть заполнены путем команды повторной передачи)
Декоммутация значений параметров, ^[10] и ассоциация этих значений с именами параметров, называемая мнемоникой.
Преобразование исходных данных в калиброванные (технические) значения и расчет производных параметров. ^[7]^: 483
Проверка лимитов и ограничений (которая может генерировать предупреждающие уведомления) ^[3]^: 479^[7]^: 484
Создание телеметрических дисплеев, которые могут иметь форму таблиц, графиков параметров друг против друга или с течением времени, или синоптических дисплеев (иногда называемых мнемосхемами) – по сути, блок-схем , которые представляют интерфейсы компонентов или подсистем и их состояние. ^[7]^: 484

космического корабля, База данных предоставляемая производителем космического корабля, призвана предоставлять информацию о форматировании кадров телеметрии, положениях и частотах параметров в кадрах, а также связанной с ними мнемонике, калибровках, а также мягких и жестких ограничениях. ^[7]^: 486 Содержимое этой базы данных, особенно калибровки и пределы, может периодически обновляться для обеспечения соответствия бортовому программному обеспечению и эксплуатационным процедурам; они могут меняться в ходе миссии в ответ на обновления , деградацию оборудования в космической среде и изменения параметров миссии. ^[12]^: 399

Командующий

Команды, отправляемые на космический корабль, форматируются в соответствии с базой данных космического корабля и проверяются на соответствие базе данных перед передачей через наземную станцию . Команды могут подаваться вручную в режиме реального времени или могут быть частью автоматизированных или полуавтоматических процедур, загруженных полностью. ^[7]^: 485 Обычно команды, успешно полученные космическим кораблем, подтверждаются телеметрией. ^[7]^: 485 а для обеспечения синхронизации на космическом корабле и на земле имеется счетчик команд. В некоторых случаях управление с обратной связью может быть реализовано . Командируемые действия могут относиться непосредственно к целям миссии или быть частью ведения домашнего хозяйства . Команды (и телеметрия) могут быть зашифрованы , чтобы предотвратить несанкционированный доступ к космическому кораблю или его данным.

Процедуры космического корабля обычно разрабатываются и тестируются на симуляторе космического корабля перед использованием с реальным космическим кораблем. ^[13]^: 488

Анализ и поддержка

Центры управления полетами могут полагаться на «автономные» (т.е. не в режиме реального времени ) подсистемы обработки данных для решения аналитических задач. ^[3]^: 21^[7]^: 487 такой как:

Определение орбиты и маневра планирование ^[14]
Оценка пересечений и предотвращения столкновений планирование ^[7]^{: 478–479}
Планирование и планирование миссий ^[7]^{: 489–491}
Встроенное управление памятью ^[15]^{: 247–249}
краткосрочных и долгосрочных тенденций Анализ ^[3]^: 21
Планирование пути в случае планетоходов.

В центре управления могут быть выделены выделенные физические пространства для определенных функций поддержки миссии, таких как динамика полета и управление сетью . ^[3]^: 475 или эти роли могут выполняться через удаленные терминалы за пределами центра управления. По мере увеличения бортовой вычислительной мощности и сложности программного обеспечения существует тенденция к более автоматизированной обработке данных на борту космического корабля . ^[16]^: 2–3

Кадровое обеспечение

Центры управления могут быть постоянно или регулярно укомплектованы диспетчерами полета . Укомплектованность персоналом обычно наиболее высока на ранних этапах миссии. ^[3]^: 21 а также во время критических процедур и периодов, например, когда космический корабль находится в затмении и не может вырабатывать энергию. ^[16] Все чаще центры управления беспилотными космическими кораблями могут быть настроены для работы в режиме «отбой» (или в автоматическом режиме ) в качестве средства контроля затрат. ^[16] полетом Программное обеспечение управления обычно генерирует уведомления о важных событиях – как запланированных, так и незапланированных – в наземном или космическом сегменте, которые могут потребовать вмешательства оператора. ^[16]

Удаленные терминалы

Удаленные терминалы представляют собой интерфейсы в наземных сетях, отдельные от центра управления полетами, к которым могут получить доступ диспетчеры полезной нагрузки , аналитики телеметрии, группы приборов и научных групп, а также вспомогательный персонал, такой как системные администраторы и группы разработчиков программного обеспечения . Они могут быть предназначены только для приема или могут передавать данные в наземную сеть.

Терминалы, используемые клиентами услуг , включая интернет-провайдеров и конечных пользователей , вместе называются «пользовательским сегментом» и обычно отличаются от наземного сегмента. Пользовательские терминалы, включая системы спутникового телевидения и спутниковые телефоны, связываются напрямую с космическими кораблями, в то время как другие типы пользовательских терминалов полагаются на наземный сегмент для приема, передачи и обработки данных.

Средства интеграции и тестирования

Космические аппараты и их интерфейсы собираются и тестируются на интеграции и тестирования объектах (I&T). Информационно-технические средства, предназначенные для конкретной миссии, дают возможность полностью протестировать связь и поведение как космического корабля, так и наземного сегмента перед запуском. ^[7]^: 480

Стартовые комплексы

Транспортные средства доставляются в космос через стартовые комплексы , которые обеспечивают логистику запусков ракет. Стартовые комплексы обычно подключаются к наземной сети для ретрансляции телеметрии до и во время запуска. Иногда говорят, что сама ракета -носитель представляет собой «переходный сегмент», который можно считать отличным как от наземного, так и от космического сегментов. ^[3]^: 21

Наземные сети

Наземные сети обеспечивают передачу данных и голосовую связь между различными элементами наземного сегмента. ^[7]^{: 481–482} Эти сети часто сочетают в себе элементы LAN и WAN , за которые могут нести ответственность разные стороны. Географически разнесенные элементы могут быть соединены посредством выделенных линий или виртуальных частных сетей . ^[7]^: 481 Проектирование наземных сетей обусловлено требованиями к надежности , пропускной способности и безопасности . сетевые протоколы, устойчивые к задержкам Могут использоваться .

Надежность является особенно важным фактором для критически важных систем , при этом время безотказной работы и среднее время восстановления имеют первостепенное значение. Как и в случае с другими аспектами системы космического корабля, резервирование сетевых компонентов является основным средством достижения требуемой надежности системы.

Соображения безопасности жизненно важны для защиты космических ресурсов и конфиденциальных данных. Каналы глобальной сети часто включают шифрования протоколы и межсетевые экраны для обеспечения информационной и сетевой безопасности . Антивирусное программное обеспечение и системы обнаружения вторжений обеспечивают дополнительную безопасность на конечных точках сети.

Затраты

Затраты, связанные с созданием и эксплуатацией наземного сегмента, сильно варьируются. ^[17] и зависят от методов бухгалтерского учета. Согласно исследованию Делфтского технологического университета , ^{[Примечание 1]} наземный сегмент составляет примерно 5% от общей стоимости космической системы. ^[18] Согласно отчету корпорации RAND о миссиях малых космических аппаратов НАСА, только эксплуатационные расходы составляют 8% от стоимости жизненного цикла типичной миссии, при этом интеграция и тестирование составляют еще 3,2%, наземные объекты 2,6% и проектирование наземных систем 1,1. %. ^[19]^: 10

наземного сегмента Факторы затрат включают требования, предъявляемые к объектам, оборудованию, программному обеспечению, сетевому подключению, безопасности и персоналу. ^[20] Затраты на наземные станции, в частности, во многом зависят от требуемой мощности передачи, диапазона радиочастот и пригодности уже существующих средств. ^[17]^: 703 Центры управления могут быть высокоавтоматизированы как средство контроля расходов на персонал. ^[16]

^ На основе модели, описанной в книге «Анализ и проектирование космических миссий» , третье издание, Джеймса В. Верца и Уайли Дж. Ларсона.

Изображения

Антенна, принадлежащая сети Deep Space Network
Центр управления операциями космического телескопа в Центре космических полетов Годдарда во время обслуживания космического телескопа Хаббл.
Интеграция летного оборудования на объекте JAXA в Цукубе , Япония.
Выведенная из эксплуатации стартовая площадка Гвианского космического центра

См. также

Консультативный комитет по системам космических данных (CCSDS), который поддерживает стандарты телеметрии и форматирования команд.
Служба радиосвязи , как это определено Регламентом радиосвязи МСЭ.
Встроенная подсистема обработки данных

Ссылки

^ «Наземный сегмент» . SKY Perfect JSAT Group International. Архивировано из оригинала 20 сентября 2015 года . Проверено 5 ноября 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Элберт, Брюс (2014). Справочник по наземному сегменту спутниковой связи и наземным станциям (2-е изд.). Артех Хаус. п. 141. ИСБН 978-1-60807-673-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Халлманн, Вилли, ред. (2008). Справочник по космической технике . Уайли . ISBN 978-0470742419 . Проверено 30 декабря 2015 г.
^ «Земной сегмент РЗС» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 г.
^ «Обзор наземного сегмента» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Райнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проектирования наземного сегмента для миссий наблюдения Земли» . Летняя школа Альпбаха. Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2020 г. Проверено 6 ноября 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Шатель, Франк (2011). «Наземный сегмент». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ «Радиочастотные компоненты» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 г.
^ «Земные станции/телепорты – Хаб» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Глава 10: Телекоммуникации». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Проверено 28 декабря 2015 г.
^ Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые группировки: типы орбит, использование и связанные с ними факты (PDF) . ИСУ Летняя сессия . Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2019 года . Проверено 17 ноября 2015 г.
^ Шериф Рэй Э.; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ Филлери, Найджел П.; Стэнтон, Дэвид (2011). «Телеметрия, управление, обработка и обработка данных». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .
^ «Глава 13: Навигация космического корабля». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Проверено 28 декабря 2015 г.
^ Улиг, Томас; Селлмайер, Флориан; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Эксплуатация космического корабля . Издательство Спрингер. ISBN 978-3-7091-1802-3 . Проверено 28 декабря 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Оперативное кадровое обеспечение» . Документы о передовой практике спутниковых операций . Технический комитет космических операций и поддержки Американского института аэронавтики и астронавтики . Архивировано из оригинала 6 октября 2016 года . Проверено 28 декабря 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science+Business Media . ISBN 1461530067 . Проверено 8 января 2016 г.
^ Зандберген, BTC, «Стоимость системы ROM», Оценка стоимости элементов космической системы, версия 1.02 , заархивировано из оригинала (таблица Excel) 26 января 2016 г. , получено 8 января 2016 г.
^ де Век, Оливье; де Неввиль, Ричард; Чанг, Даррен; Шез, Матье. «Технический успех и экономический провал». Группировки спутников связи (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала (PDF) 9 мая 2005 г. Проверено 12 января 2016 г.
^ Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель наземной стоимости (G-COST) для военных систем». Международная конференция AIAA по спутниковым системам связи . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421 гг. дои : 10.2514/6.1996-1111 .

[Wertz_Larson-18] На основе модели, описанной в книге «Анализ и проектирование космических миссий» , третье издание, Джеймса В. Верца и Уайли Дж. Ларсона.

[jsat_intro-1] «Наземный сегмент» . SKY Perfect JSAT Group International. Архивировано из оригинала 20 сентября 2015 года . Проверено 5 ноября 2015 г.

[elbert-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Элберт, Брюс (2014). Справочник по наземному сегменту спутниковой связи и наземным станциям (2-е изд.). Артех Хаус. п. 141. ИСБН 978-1-60807-673-4 .

[ley-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Лей, Уилфрид; Виттманн, Клаус; Халлманн, Вилли, ред. (2008). Справочник по космической технике . Уайли . ISBN 978-0470742419 . Проверено 30 декабря 2015 г.

[esa_ers-4] «Земной сегмент РЗС» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 г.

[esa_copernicus-5] «Обзор наземного сегмента» . Европейское космическое агентство . Проверено 5 ноября 2015 г.

[reiniger-6] Перейти обратно: ^а ^б Райнигер, Клаус; Дидрих, Эрхард; Микуш, Эберхард (август 2006 г.). «Аспекты проектирования наземного сегмента для миссий наблюдения Земли» . Летняя школа Альпбаха. Архивировано из оригинала (PDF) 9 июля 2020 г. Проверено 6 ноября 2015 г.

[Fortescue-GS-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Шатель, Франк (2011). «Наземный сегмент». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[jsat_RF-8] «Радиочастотные компоненты» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 г.

[jsat_teleport-9] «Земные станции/телепорты – Хаб» . SKY Perfect JSAT Group International . Проверено 5 ноября 2015 г.

[JPL_10-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Глава 10: Телекоммуникации». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Проверено 28 декабря 2015 г.

[wood-11] Вуд, Ллойд (июль 2006 г.). Введение в спутниковые группировки: типы орбит, использование и связанные с ними факты (PDF) . ИСУ Летняя сессия . Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2019 года . Проверено 17 ноября 2015 г.

[Fortescue-Telecom-12] Шериф Рэй Э.; Татналл, Адриан Р.Л. (2011). «Телекоммуникации». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[Fortescue-T&C-13] Филлери, Найджел П.; Стэнтон, Дэвид (2011). «Телеметрия, управление, обработка и обработка данных». В Фортескью, Питер; Суинард, Грэм; Старк, Джон (ред.). Системотехника космических аппаратов (4-е изд.). Уайли. стр. 467–494. ISBN 9780470750124 .

[JPL_13-14] «Глава 13: Навигация космического корабля». Основы космического полета . НАСА Лаборатория реактивного движения . Проверено 28 декабря 2015 г.

[uhlig-15] Улиг, Томас; Селлмайер, Флориан; Шмидхубер, Майкл, ред. (2014). Эксплуатация космического корабля . Издательство Спрингер. ISBN 978-3-7091-1802-3 . Проверено 28 декабря 2015 г.

[aiaa-16] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «Оперативное кадровое обеспечение» . Документы о передовой практике спутниковых операций . Технический комитет космических операций и поддержки Американского института аэронавтики и астронавтики . Архивировано из оригинала 6 октября 2016 года . Проверено 28 декабря 2015 г.

[tirro-17] Перейти обратно: ^а ^б Тирро, Себастьяно, изд. (1993). Проектирование систем спутниковой связи . Springer Science+Business Media . ISBN 1461530067 . Проверено 8 января 2016 г.

[zandbergenROM-19] Зандберген, BTC, «Стоимость системы ROM», Оценка стоимости элементов космической системы, версия 1.02 , заархивировано из оригинала (таблица Excel) 26 января 2016 г. , получено 8 января 2016 г.

[deWeck-20] де Век, Оливье; де Неввиль, Ричард; Чанг, Даррен; Шез, Матье. «Технический успех и экономический провал». Группировки спутников связи (PDF) . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала (PDF) 9 мая 2005 г. Проверено 12 января 2016 г.

[matthews-21] Мэтьюз, Энтони Дж. (25 февраля 1996 г.). «Модель наземной стоимости (G-COST) для военных систем». Международная конференция AIAA по спутниковым системам связи . Американский институт аэронавтики и астронавтики : 1416–1421 гг. дои : 10.2514/6.1996-1111 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[Примечание 1]

[18]

[19]

[20]